Kasvajarakud ei eksisteeri organismis isoleeritult, neid ümbritseb kompleksne keskkond, mis koosneb:

• Kõige sagedasemad vähitüübid nagu rinna, käärsoole, mao ja pankrease kartsinoomid sisaldavad kuni 90% mitte-neoplastilisi rakke.
• Hodgkinsi lümfoomis on üksikud neoplastilised tsütokiine sekreteerivad Reed-Steinbergi rakud ümbritsetud 99% normaalsetest lümfotsüütidest.

Lisaks neoplastilistele rakkudele leidub vähis erinevas proportsioonis normaalseid rakke:

• T lümfotsüüdid, B lümfotsüüdid, NK ja NKT rakud, makrofaagid (TAM), müeloidset päritolu suppressor-rakud (MDSC), dendriitrakud, neutrofiilid, fibroblastid, müofibroblastid, adipotsüüdid, endoteelirakud, peritsüüdid, lümfoid-endoteel.

Kuidas saab moos kommi sisse?

On välja pakutud kaks alternatiivi:

1. Vähis olevad normaalsed rakud on jäänukid algsest koest enne tumorigeneesi algust.
2. Normaalsete rakkude viibimine kasvajas on tingitud heterotüüpsest signalisatsioonist.

• Erinevate rakutüüpide vahelist signaliseerimist nimetatakse heterotüüpseks signalisatsiooniks.
• Heterotüüpne signalisatsioon soodustab või pidurdab kõrvalolevate teiste rakutüüpide jagunemist ja/või ellujäämist.
• Näiteks: soole epiteelirakud ekspresseerivad c-MET retseptorit aga soole mesenhüüm selle ligandi HGF/SF kasvufaktorit.

• Heterotüüpse signalisatsiooni faktorid
  • mitogeensed kasvufaktorid (HGF/SF, VEGF, TGF-\(\alpha\), PDGF),
  • kemokiinid (SDF-1/CXCL12, CXCL5)
  • kasvu inhibeerivad signaalid (TGF-\(\beta\)),
  • troofilised faktorid mis vahendavad ellujäämist (insulin-like growth factor-1/2 [IGF-1/2]).
• Sarnaselt normaalse epiteeliga kontrollivad ka kartsinoomi rakud ümbritsevaid normaalseid kudesid indutseerides neid kasvama.
• Teistpidi, strooma rakud võivad signaliseerida vähirakkudele ka kasvu pidurdavalt.

• Krooniliste põletike korral toimivad strooma rakud nagu makrofaagid, neutrofiilid ja lümfotsüüdid vähi teket soodustava faktorina kuna loovad pro-inflammatoorse keskkonna (sekreteerivad TNF-\(\alpha\) ja prostaglandiine).
• Kartsinoomi rakud sekreteerivad PDGF-i, mille retseptorid on ekspresseeritud strooma rakkudel - fibroblastid, müofibroblastid ja makrofaagid. Strooma rakud sekreteerivad vastusena PDGF-ile IGF-1, mis omakorda soodustab vähirakkude kasvu ja ellujäämist.
• Melanoomid sekreteerivad samuti PDGF-i, mis indutseerib fibroblastidel IGF-2 sekretsiooni.
• Rinnavähi rakud sõltuvad strooma fibroblastide poolt sekreteeritud SDF-1/CXCL12 kemokiinist ja HGF/SF-st.

Normaalsed rakud vähis

Fibriin tuumoris

• Haava paranemise põletikulises faasis fibriinklompi põhjustavad vereliistakud ja seejärel klompi migreeruvad makrofaagid sekreteerivad TGF-\(\beta\) ja TGF-\(\alpha\) kasvu faktoreid.
• TGF-\(\beta\) põhjustab haava kõrval olevate epiteelirakkude epiteliaal-mesenhümaalse transformatsiooni (EMT).
• Sellised EMT läbinud epiteelirakud muutuvad müofibroblastideks, migreeruvad fibriinklombi alla ja katavad dermise. Müofibroblastides ekspresseeritav silelihas aktiin põhjustab haava kokku tõmbamise.

EMT on protsess mille käigus epiteelirakud kaotavad polaarsuse, rakkudevahelised adhesioonid, omandavad amööbse liikumise ja invasiivse võime

• Vähi metastaaside teke on seotud EMT-ga: kartsinoomi rakud kaotavad E-kadheriini ekspressiooni, murravad läbi basaalmembraani, sisenevad vereringesse, moodustavad distaalseid mikrometastaase ja läbivad EMT-le vastupidise protsessi MET (mesenhümaal-epiteliaalne transformatsioon).
• EMT annab vähirakkudele resistentsuse onkogeen-indutseeritud senesentsile.
• EMT-ga seotud transkriptsioonifaktorid Twist1, Twist2 ja ZEB1 kaitsevad ka inimese ja hiire fibroblaste senesentsi eest.

Veresooned varustavad kudesid hapniku ja toitainetega

Tahked kasvajad ei saa areneda üle 1 mm suuruse ilma angiogeneesi initsieerimata

• Kasvaja veresooned on heterogeense luumeniga, lekkivad ja ebakorrapärased

• vähile on iseloomulik dereguleeritud ECM-i dünaamika: MMP-d, plasmin on tugevalt üle ekspresseeritud
• protelüütline aktiivsus pärit kasvajas resideeruvatest stroomarakkudest sh. TAM-d, CAF-d
• erinevaid kollageene kasvajates oluliselt rohkem
• kasvajad sellest tingituna füüsiliselt jäigemad
• üle-ekspresseeritud proteoglükaanid, CD44: kasvufaktorite presenteerimine

• kollageen-I: normaalselt mitte-orienteeritud fibrillide asemel on kollageen rinnakasvajates selgelt lineaarselt orienteeritud
• kasvaja stroomas kollageeni fiibrid tugevalt krosslingitud: lüsüüloksüdaasid (LOX, LOX-like 2)
• krosslingitud ja tugevam maatriks indutseerib EC migratiooni ja angiogeneesi Bignon et al. (2011)

• Vähi kollete levimine algsest primaarsest paikmest keha teistesse osadesse
• Selliseid sekundaarseid vähikoldeid nimetatakse vähi siireteks ehk metastaasideks
• Vähi siire koosneb rakkudest mis on sarnased vähirakkudele algses paikmes

• Tegemist on nö. "Darwinliku selektsiooni" protsessiga.
• Klassikalise klonaalse selektsiooni mudeli kohaselt moodustavad metastaase algses vähis asuvad minoorsed rakud.
• Selline haruldane rakukloon selekteeritakse sekundaarses paikmes ja ta suudab ekspandeeruda/kasvada.
• Eksisteerivad spetsiifilised metastaasi mutatsioonid/geenid.

Metastaasi potentsiaal on suuremas osas algses vähimassis olemas

• Vähi metastaseerumise ennustab algse vähimassi geeniekspressioon.

Metastaseerumise protsess

Kliiniliselt detekteeritava metastaasi tekkeks peab toimuma terve rida juhuslikke sündmusi

• Metastaseerumise käigus peavad vähirakud kõigepealt organismis laiali kanduma ja uutes asukohtades ellu jääma ning hiljem suutma jaguneda et moodustuks sekundaarne vähk.
• Protsess sisaldab
  • vähirakkude migreerumist,
  • lokaalset ivasiooni,
  • sisenemist vereringesse,
  • arresteerumist sekundaarses koes ja veresoonest väljumist ning
  • lõpuks uue koloonia moodustamist.
• Koloniseerumine omakorda eeldab mitmeid samme, nagu vähirakkude ellujäämist, mikrometastaaside moodustumist, pikaajalise latentsusperioodi üleelamine ja kasvu reaktiveerimine.

Komplementaarne kahe eelneva mudeliga

Primaarses kasvajas ekspresseeritavad metastaasigeenid annavad vähile

• lokaalse kasvueelise: EREG (epiregulin) ja COX2/PTGS2 ekspressioon stimuleerib angiogeneesi. Kollageeni krosslinkivat aktiivsust omav LOX (lüsüül oksüdaas) indutseerib vähirakkude migratsiooni ja angiogeneesi;
• distaalse eelise mingisse kindlasse organisse infiltreerumiseks: hüpoksia ja TGF-\(\beta\) indutseeritud ANGPL4 indutseerib veresoonte läbilaskvuse ja võimaldab siseneda distaalsesse koesse.

• EMT reguleerivad TF: E47/E2A ja Twist (bHLH), Snail ja Slug (C2H2 zf), FOXC2 (winged helix, forkhead), Goosegoid (paired homeodomain), etc.

• Perivaskulaarsed makrofaagid loovad vähis metastaatilise mikrokeskonna (tumor microenvironment of metastasis).
• Vähirakkude ja makrofaagide vahel toimub EGF/CSF-1 parakriinne signalisatsioon.
• Vähirakkude poolt sekreteeritav CSF-1 indutseerib vähi makrofaagidel EGF-i ekspressiooni, mis positiivse tagasisidena omakorda indutseerib vähirakkudel veelgi CSF-1 ekspressiooni.

Kliiniliselt on see periood, mis jääb vähi avastamise ja detekteeritavate metastaaside tekke vahele

• Raku tasemel väljendub latentsus
  • vähiraku jagunemise arrestis ja vaikeolekus (dormantsus);
  • mitteproduktiivses jagunemises, kus jagunemine on balanseeritud apoptoosi poolt;
  • tüvirakuliste omaduste kadumine (loss of stem cell fitness/stemness).

• Rinnavähi mudelis on leitud, et sellisest dormantsusest väljunud luu mikrometastaasid on hakanud ekspresseerima enda pinnal VCAM-1 molekuli Lu et al., 2011.
• VCAM-1 ekspressioon värbab dormantse vähiraku juurde \(\alpha 4 \beta 1\) integriine ekspresseerivad monotsüüdid, mis diferentseeruvad luud lagundavateks osteoklastideks. VCAM-1 on \(\alpha 4 \beta 1\) integriini ligand mille kaudu lümfotsüüdid arresteeruvad veresoone pinnal.
• Osteoklastide aktiveerumisega vabaneb luu maatriksist rohkelt kasvufaktoreid tekib nö. nõiaring (vicious cycle).

• Rinnavähi kopsumetastaasid hakkavad sekreteerima tüvirakulisust pärssiva TGF-\(\beta\) perekonna ligandi BMP4 blokeerivat faktorit Coco Gao et al., 2012.
• Coco ekspressioon neutraliseerib parakriinse BMP ja võimaldab vähirakkude reaktivatsiooni.

• Glioblastoomid metastaseeruvad harva.
• Medulloblastoomid metastaseeruvad sagedasti.
• Kopsu- ja kühunäärme kartsinoomid on sagedasti metastaseerunud juba esmasdiagnoosil.
• Rinna- ja eesnäärmevähid reeglina diagnoosimisel metastaseerunud ei ole.
• Umbes 10% patsentidel esineb vähke mille algne paige on määramatu (cancer of unknown primary origin, CUP).

Kliiniliselt on raske määrata, kui kiiresti konkreetne vähk progresseerub primaarsest kasvajast latentsete siirete tekkeni ja sealt nähtavate metastaasideni.

Veresoontest väljumist soodustavate geenide ekspressioon suurendab vähirakkude laiali kandumist kudedesse ja seega koloniseerimise tõenäosust.

• Rinnavähi aju metastaase näiteks vahendavad COX2, HB-EGF ja ST6GALNAC5 (α2,6-sialyltransferase) (Bos et al., 2009).
• COX2 ja HB-EGF-EGFR ekspressioon annab vähirakule "võimenduse" mitte fenestreeritud endoteeli läbimiseks ja ajukoe koloniseerimiseks.
• $\alpha$2,6-sialüültransferaasi ekspressioon põhjustab sialüül-epitoopide ekspressiooni vähiraku pinnal ja võimaldab aju-spetsiifilist infiltratsiooni.

• Rinnavähi osteolüütilised metastaasid, kus toimub luukude lagundavate osteoklastide aktivatsioon. Vabaneb terve rida maatriksisse deponeeritud kasvufaktoreid.
  • Vähirakud sekreteerivad paratüroidhormoon peptiidi (PTHrP) ja mõjutavad seeläbi osteoblaste (luukude ülesehitavad rakud) sekreteerima RANKL ja mitte sekreteerima RANKL decoy retseptorit OPG (osteoprotegerin), mis stimuleerib osteoblaste.
• Rinnavähi ajumetastaasid ekspresseerivad IL1\(\beta\), mis aktiveerib astrotsüüdid. Aktiveeritud astrotsüüdid hakkavad ekspresseerima NOTCH ligandi JAGGED, mis stimuleerib omakorda vähirakke (Xing, 2013).

• Pankrease vähi metastaatilised kloonid sisaldavad KRASG12V, MYC ja CCNE1 geenimutatsioone.
• Neeruvähi metastaasides on muteerunud TP53, SETD2, KDM5C.
• ER-positiivse rinnavähi patsiendil 9 a. peale primaarse vähi eemaldamist tekkinud metastaasides oli peamine mutatsioon ERBB2 amplifikatsioon.
• Basaalset tüüpi rinnavähi primaarse paikme ja metastaaside vahel erinesid ainult mutantsete alleelide sagedused.

.., the Bad and the Ugly

• Soolevähi rakkudes on tavaline TGF-\(\beta\) raja inaktivatsioon, samas vähirakud ise ekspresseerivad TGF-\(\beta\) mis stimuleerib stroomarakkudel makrofaage aktiveeriva IL-11 ekspressiooni.
• Eesnäärmevähi hiire mudelis annavad PTEN ja TP53 inaktivatsioon mitte-agressiivse vähi, kuid lisaks SMAD4 inaktiveerimine viib metastaseeruvate kasvajate tekkeni.
• Nkx2.1 tuumorsupressori muteerumine muudab KRASG12D-TP53-/- rakud metastaatilisteks.
  

Kolonisatsiooni strateegia: metastaatilist koloniseerimist soodustavad signaaliradasid võimendavad tunnused

Kolonisatsiooni strateegia, epigeneetiline regulatsioon

• Epigeneetilised muutused nagu histoonide H3K27 demetülatsioon ja DNA demetülatsioon muudavad VHL inaktiveeritud neeruvähis HIF2\(\alpha\) märklaudgeenide repertuaari märksa laiemaks: ülesse läheb ka kopsumetastaase soodustavate CXCR4, CYTIP (Cytohesin 1 Interacting Protein), LTBP1 ja SLAMF8 geenide ekspressioon (Vanharanta, 2013).